模块知识融合反应工程大作业设计的思考

化学反应工程是高校化学工程专业的重要核心课之一,致力于研究化学动力学并根据反应特点设计合适的反应器。课程教学团队根据多年教学经验,将课程内容分为理想反应器、非理想流动、非均相催化和工业反应器四个模块,并针对非理想流动与非均相催化模块的知识关联较弱而导致学生无法综合运用所学知识解决复杂反应工程问题的现象,设计了基于模块知识融合的课程大作业。本文阐述了课程大作业对加强模块间知识关联的重要作用,梳理了课程大作业的设计和实施要点,并以催化剂氧空位测量的课程大作业为例,介绍如何通过非理想流动和非均相催化模块知识的融合提升学生解决复杂工程问题的能力,最后总结了课程大作业实施过程中的共性问题并提出了改进建议。

模块知识融合在反应工程课程教学中的探究与实践

模块知识融合是基于反应工程原理和方法论的一种教学理念,旨在引导学生将知识融会贯通,实现复杂反应工程问题的解耦。文章介绍了反应工程的模块化知识结构和模块知识融合在反应工程课程教学中的应用,结合2023年春季学期课程设计项目教学案例,探讨了基于模块知识融合的反应工程课程教学发展方向。

二氧化碳加氢制甲醇过程中铜基催化剂活性位点研究进展

二氧化碳加氢制甲醇反应研究对解决能源紧缺和环境问题具有重要意义。以Cu/ZnO/Al_(2)O_(3)为代表的铜基催化剂因其反应活性高、成本低廉而备受关注,受限于催化剂中Cu物种的电子结构多样性与表征技术的发展水平,铜基催化剂的真实活性位点、反应机理尚不清楚。本文综述了二氧化碳加氢制甲醇过程中铜基催化剂活性位点的研究进展,并结合原位表征技术的研究进展对其反应机理进行综述。研究人员结合多种先进表征手段确定了活性位点的结构和组成,同时揭示了不同催化剂结构对反应性能的影响。通过原位表征技术的应用,可以实时观察反应过程中催化剂的结构变化,揭示了反应关键步骤和催化剂的作用方式。未来可以结合更多原位表征技术和计算模拟方法,探索催化剂微观结构和反应机理,以更高的反应性能制备绿色甲醇。

等离子体多相反应器基础研究和过程强化

等离子体是物质第四态,其中大量高能活性粒子的存在,使得等离子体强化的化学反应过程展示出特殊外场作用下的非常规行为。一方面,等离子体提供的高活性环境,可以从原子/分子尺度大大强化化学反应过程,特别是实现非常规条件下的反应;另一方面,等离子体的特有性质,在介观尺度改变了相间接触行为,形成区别于常规多相流的独特的流体力学、传递和反应特性。本文概述了将低温等离子体的理化特性与多相反应过程集成,所形成的相关基础研究和低温等离子体反应器的工业发展,包括热等离子体煤制乙炔,冷等离子体气固催化、氯化聚氯乙烯合成以及气液等离子体反应过程。

直流电弧等离子体甲烷二氧化碳重整反应

采用一种简单结构的直流电弧反应器,在无催化剂存在的条件下,高效率地实现了毫秒级甲烷二氧化碳的重整反应,产物选择性好,并且在反应过程中几乎没有积炭生成。在恒定输入功率(170W)的条件下考察了气体总流量和二氧化碳/甲烷摩尔比对反应结果的影响。提高反应气体的输入能量密度可以提高甲烷和二氧化碳的转化率,并且能够有效地抑制副产物的生成。当二氧化碳/甲烷摩尔比为1时,二氧化碳转化率为89.8%,甲烷转化率为96.3%,氢气和一氧化碳的选择性分别为99.6%和99.3%。二氧化碳过量可显著促进甲烷的转化以及同时获得合成气的高选择性。采用比能耗对该过程的能量利用效率进行了分析,以期指导反应条件优化以提高过程的能量利用效率。

热等离子体裂解煤一步法制乙炔关键技术及过程经济性分析

热等离子体裂解煤一步法制乙炔过程为煤的直接化工利用提供了一条绿色、清洁和高效率的转化途径。基于兆瓦级热等离子体裂解煤反应器的研发,概述了已有的基础和工程研究成果,并重点从高效气固混合、结焦控制以及反应器优化与放大3个方面探讨了反应器的一些关键技术问题。从反应系统角度出发,基于对该过程的物料、能量衡算和经济效益分析结果,指出能量和物料的综合利用是该过程经济性的保证。

化学反应工程的前世、今生与未来

回顾了化学反应工程学科和相关工业重要贡献的发展历史,提出以'物质的传递与转化'、'能量的传递与转化'和'信息的传递与转化'所组成的'三传三转'作为化学工程学科范式的新解读模式;强调了多尺度研究对于理解反应工程复杂问题的重要意义,计算技术的发展大大促进了反应工程理论的进步;从学科交叉和化工前沿角度探讨了反应工程新的发展方向,尤其展望了大型化煤化工、大规模天然气(页岩气)利用等将为中国的反应工程发展带来更为优越的国际领先契机,也是未来反应工程的任务和挑战。

煤/煤焦油/沥青质的热等离子体裂解特性比较分析

针对化石资源劣质化和大宗低价值化工中间产品的反应工程新问题,提出利用热等离子体超高温特性实现极端条件下难利用原料的高效清洁转化,重点探讨并比较了煤化工中的原煤、煤焦油和石油化工中的沥青质的热等离子体裂解特性。通过热等离子体裂解实验室小试装置考察了3种典型原料的裂解行为,结果表明,煤焦油和沥青质具有高于煤的转化率和乙炔收率;建立了基于热力学的热等离子体裂解反应过程的能量平衡分析方法,模拟计算了不同操作条件下各原料在兆瓦级中试装置上的裂解结果,给出了相同等离子体能量注入的条件下不同原料裂解过程的物流和能流关系;并进一步模拟分析了原料间混合裂解的混料配比对裂解气的影响,为热等离子体裂解过程的工业原料筛选和原料混合裂解提供了科学依据。

热等离子体煤制乙炔裂解气烃类循环过程分析

针对等离子体煤裂解制乙炔过程,提出了将过程裂解气中副产的烃类分离,循环输入等离子体反应器的新型工艺流程。基于新疆天业2 MW示范平台装置的典型运行参数,采用热力学分析手段,理论上分析了该工艺流程对于体系乙炔产量、单位质量乙炔煤耗和裂解电耗等的影响。结果表明,裂解气烃类循环可以有效提高裂解气中乙炔浓度和产率,同时减少煤粉输送气等流程气体的使用。典型操作条件下,采用裂解气烃类循环工艺可以增加35.6%的乙炔收率和13.4%的氢气收率,降低30%的单位乙炔煤耗和裂解电耗,是高效可行的优化方案。

超短接触反应器气固快分装置的数值模拟

A gas-solids fast separator was studied for its potential application in the process of coal pyrolysis to acetylene in plasma.The CFD method was employed to simulate the flow behavior in the gas-solids fast separator based on the realizable k-ε turbulence model and the discrete particle model(DPM).The separation efficiency and residence time of gas phase in the gas-solids fast separator could be calculated.The numerical simulations were validated by the experimental results at a low velocity of the inlet gas(e.g.,4 m·s-1).With the increase of gas velocity at the inlet,the separation efficiency was increased,and the residence time of gas phase was reduced accordingly.The separation efficiency approached 100% when particle diameter was larger than 20 μm.When inlet velocity was 100 m·s-1,the mean residence time of gas phase was about 35 ms.To be noted,the performance of the gas-solids fast separator could be improved,for example by shortening the length of the separator,with a reduced residence time of gas phase at ～20 ms.It is expected that the gas-solids fast separator can meet the stringent demand of the coal pyrolysis to acetylene process for the milliseconds reaction,quench and separation.

沥青质热等离子体裂解热力学的分析

针对重油溶剂脱沥青过程中产生的大量沥青质,提出利用热等离子体超高温的极端反应条件,实现沥青质高效处理的热化学转化方案。采用热力学分析的方法,分析额外加入氢气、清焦气体(水蒸气或二氧化碳)和共裂解烃类(甲烷、乙烷、丙烷)对于沥青质热等离子体裂解制乙炔过程气相体系的影响。分析结果表明,在2 MW热等离子体裂解中试装置上,沥青质的最优处理量约为407 kg/h,并可获得约210 kg/h的乙炔;额外加入氢气和清焦气体不利于生成乙炔,额外加入的氢气量应低于15 kg/h;清焦气体的加入量应低于50 kg/h;加入共裂解烃类,可显著提高裂解气中乙炔的含量。裂解气温度的提高、气相有效碳氢质量比的增大和惰性因子的减小是提高裂解气中乙炔含量的有效手段。

高效、清洁、高附加值原则指导下适度、有序发展煤化工产业

针对我国可持续发展面临的能源瓶颈,指出适度、有序发展煤化工产业是我国现有能源结构环境下的必然选择。在低碳理念指导下,提出了煤炭资源的分质利用原则、高能效利用原则、综合利用原则、因地制宜利用原则和高附加值利用原则,比较分析了煤的各种化学转化途径,阐述了含氧醇醚材料替代石油路线、煤制芳烃、煤/天然气/煤层气制备乙炔等具有前景的清洁、高效转化过程,期望为煤化工产业的健康、有序发展提供科学思路。

反应工程基础教学的实施及“后疫情”时代教学的思考

化学工程是利用化学、物理、数学、生物和经济学等原理有效实现物质和能量的转化及利用的工程科学。化学反应机理的研究和反应器的优化设计是化学工程的核心,因此反应工程基础是化学工程专业本科生的重要核心课之一。文章回顾了反应工程学科的历史贡献和发展历程,介绍了清华大学化工系近15年来的反应工程本科教学,并结合2020年新冠肺炎疫情期间网络教学的实践,探讨了“后疫情”时代线上线下混合式教学的发展趋势。

煤粉高温快速裂解过程的颗粒内部传递行为

热等离子体裂解煤制乙炔为超高温毫秒级反应过程,煤粉升温及脱挥发分过程直接决定了反应器的乙炔产率和经济性。建立了描述单颗粒煤粉高温快速裂解过程的机理模型,综合考虑了颗粒自身导热阻力及挥发分逸出煤粉所伴生的热阻效应。模型预测表明颗粒内部传热阻力显著影响煤粉的热裂解过程,与忽略颗粒内部传热阻力相比,脱挥发分时间减慢30%～40%,且颗粒粒径增大该影响越加明显;提高供热流体温度可加速、加强煤裂解反应深度。针对毫秒级煤裂解过程,大于100μm的煤粉或者低于2000K的热流体温度均难于实现满意的脱挥发分行为,所得结果为反应器的设计和操作提供了重要的指导。

浅析案例教学在反应工程基础课程教学中的应用

反应工程基础是化学工程本科专业的核心基础课之一。传统上该专业课教学以知识点讲述为主,旨在帮助学生学习并掌握反应器设计的基本原理和步骤。而现代反应工程专业课教学则通过案例教学,把课程内容与具有代表性的工业案例或者科技前沿衔接起来,开阔学生的视野,培养学生严谨思维和创新思维的能力,同时通过剖析案例的成功和不足,锻炼学生活学活用和独立思考的能力,使其能够超越课本知识的限制,形成开放、拓展式的学习模式。文中以作者在反应工程基础课程教学中的一个案例“制氢反应过程和反应器设计与发展”为代表,探讨如何将案例教学融入本科专业课教学中,以帮助学生理解反应工程原理,更重要的是激发学生的想象力、创造力,培养学生的专业志趣,践行价值塑造、能力培养和知识传授“三位一体”的教学理念。

反应工程中的停留时间分布理论教学点滴

化学反应工程致力于研究化学反应机理,并根据反应特点设计合适的反应器。停留时间分布理论用于量化真实反应器的非理想流动特性,是反应工程课程的重要内容之一,也是解决反应工程实际问题的重要方法论。多年的教学实践表明,停留时间分布的概念、研究方法和应用部分的学习难度较大。因此,任课教师可以通过讲解虚拟现实模拟、停留时间分布测量技术及生活中的胶囊内镜案例,从宏观和微观尺度全方位揭示反应器内的非理想流动特征,并通过翻转课堂的教学方式让学生真正掌握停留时间分布理论。

低温等离子体氯化聚氯乙烯(CPVC)气固相合成技术

提出了一种采用低温等离子体快速引发PVC氯化的气固相氯化聚氯乙烯(CPVC)合成方法。通过等离子体振动床在线氯化分析方法,探究了等离子体的高效引发氯化效率。通过拉曼光谱、固相NMR、GPC等典型表征手段,证明产品CPVC具有较为理想的微观结构。

热等离子体热解煤焦油制乙炔

利用热等离子高温、高焓等特性热解煤焦油制乙炔是一条清洁高效的乙炔生产技术。在实验室对热等离子体热解煤焦油反应中的原料进样温度、反应气氛、输入比焓等关键因素展开了研究。结果表明,热等离子体可将煤焦油直接转化为乙炔及其他小分子气态产品,预热煤焦油可改善其流动性从而提高煤焦油和等离子体射流的初始混合效率;氢等离子体的加入可显著提高煤焦油转化率和乙炔收率并减少结焦;随着输入比焓的增加,煤焦油转化率、乙炔收率和气态产品总收率均得到提高。在实验中得到的煤焦油转化率最高为86.3%,乙炔收率最高为24.6%,气态产品总收率最高为51.7%。煤焦油在热等离子体的热解过程中副产乙烯,乙烯收率达到7.9%。乙炔收率和乙烯收率的比值可用于预测气相体系温度。

燃煤电厂烟气CO2捕集-甲烷化利用工艺流程模拟研究

燃煤电厂烟气中大量的CO2直接排空对环境负面影响严重,而捕集这部分CO2并利用可再生能源制氢将其转化为CH4等能源产品,可以同时实现环境保护和能源转换与储存。本文对CO2捕集-甲烷化利用工艺流程进行了详细的模拟分析,并核算了这一耦合工艺的能耗、碳排放以及经济性。模拟结果表明:捕集工段中CO2捕集率可达79%,获得摩尔分数98%的CO2;甲烷化工段中最终得到CH4摩尔分数为91%~94%的产品气。此过程若采用可再生能源制氢工艺提供H2,则可显著降低总能耗,实现CO2净减排。在未来可再生能源制氢成本大幅下降或能够获得大量廉价氢气的情况下,此耦合工艺可获得一定的经济收益,有望成为未来燃煤电厂烟气CO2大规模工业利用的重要技术路径之一。

氢氩等离子体热解煤焦油制乙炔结焦机理分析

氢氩等离子体热解煤焦油在反应过程中产生的结焦物,主要是由气态碳气相沉积和煤焦油缩聚反应产生的。分析表明,结焦物在不同的操作条件下性质具有较大差异,结焦物中的各元素含量和平均粒径也会随着反应条件的变化而出现差异,碳纳米纤维状的结焦物主要在低氢气浓度和低输入比焓条件下产生;片状和球状结焦物主要在高氢气浓度和高输入比焓下产生;结焦物的石墨化程度随着反应气氛中氢气浓度增加而减弱。煤焦油反应过程中的转化程度越高结焦越严重,控制反应温度和提高气相反应中的氢浓度越可以控制反应过程中的结焦。